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Freiflugkolbenmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine FreiflugkolbenmasChine
zur Erzeugung vorn unter Druck stehendem Gas von veränderlichem Förderdruck, bei
der die Rückkehrbewegung des oder der Freiflugkolben durch mindestens einen pneumatischen
Energiespeicher sichergestellt wird, dessen Energieinhalt bei einer Veränderung
des Förderdruckes durch Austausch .des in, ihm enthaltenen Druckgases, insbesondere
Druckluft, mit einem Druckgasspeicher verändert wird.
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Vor allem bezieht sich die Erfindung auf sogenannte Flugkolbentreibgaserzeuger,
d. h. also auf Flugkolbenmaschinen, bei denen mindestens ein Teil der im Verdichterteil
der Gesamtmaschine verdichteten Luft zur Spülung und Speisung des Motorzylinders
der Gesamtmaschine dient und aus diesem Motorzylinder ein aus Verbrennungsgasen
und Spülluftüberschuß bestehendes Gasgemisch austritt, das einer Kraftmaschine,
beispielsweise einer Turbine, zugeführt wird, in der sich dieses Gasgemisch entspannt.
Ein besonders wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung sind diejenigen Treibgaserzeuger,
bei denen mindestens ein Teil der Vefdichtungsarbeit in dem oder den Verdichterzylindern
während des Rückwärtshubes des oder der Flugkolben " geleistet wird.
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Es ist bei Treibgaserzeugern mit Freiflugkolben schon bekannt, den
oder die pneumatischen Energiespeicher zeitweilig oder dauernd mit dem Behälter
der Förderluft zu verbinden, um auf @diese Weise -eine Regelung des Enyergieinhaltes
dieser Speicher in Abhängigkeit von der Veränderung des Druckes der Förderluft zu
erhalten. Bei einer solchen direkten Verbindung erfolgt jedoch die Regelung der
Energie in den Energiespeichern stets unmittelbar proportional den Änderungen des
Druckes der Förderluft. Häufig ist es jedoch vorteilhaft, .den Energieinhalt der
Energiespeicher zwar in Abhängigkeit. von dem Druck der Förderluft, jedoch entsprechend
einem Gesetz zu verändern, bei dem sich keine Proportionalität zwischen der genannten
Energieveränderung
und der Änderung =des Druckes, der Förderluft ergibt. In diesem Fall muß eine besondere
Steuervorrichtung zwischen dem bzw. den Energiespeichern und einer zugehörigen Druckluftquelle
bzw. einem zugehörigen Druckl:uftablaß vorgesehen sein.
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Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Freiflugkolbenmaschine mit
veränderlichem Förderdruck zu schaffen, bei der einerseits die Möglichkeit besteht,
den Energieinhalt des oder der pneumatischen Energiespeicher nicht proportional
.dem Förderdruck zu verändern, und bei der anderseits Drucklüftverluste, wie sie
mit dem Auslassen von Druckluft ,in die Atmosphäre verbunden sind, vermieden werden.
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Gemäß der Erfindung werden die Abmessungen des oder der pneumatischen
Energiespeicher so- gewählt, daß die bei jedem Kolbenhub in ihnen auftretenden größten
und kleinsten Drücke vorzugsweise symmetrisch zu beiden Seiten des Druckes eines
Druckluftbehälters liegen, der bei einer Veränderung des Förderdruckes durch ein
bei Überdruck bzw. bei Unterdruck öffnendes Ventil mit dem oder den pneumatischen
Energiespeichern verbunden wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zur Steuerung
der Ventilvorrichtung, die zwischen den Druckluftbehälter und den oder die pneumatischen
Energiespeicher eingeschaltet ist, .eine Vorrichtung vorgesehen, die in Abhängigkeit
einerseits von dem Druck in dem Druckluftbehälter und andererseits von dem Druck
in dem oder den Energiespeichern arbeitet, wobei der letztgenannte Druck vorzugsweise
derjenige Druck ist, der bei einer bestimmten Kolbenstellung in dem oder den pneumatischen
Energiespeichern herrscht.' Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich
auf solche Maschinen der in Rede stehenden Art, die unter Betriebsbedingungen arbeiten
müssen, bei denen sehr plötzlich Belastungsänderungen auftreten können. Gemäß dieser
weiteren Ausbildung ist das Brennstoffregelglied oder-der dieses Regelglied verstellernde
Regler in der Lage, unmittelbar auf die Regelung der Energie in den pneumatischen
Energiespeichern einzuwirken.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeigen die Fig. i und 2 schematisch zwei verschiedene Ausführungsformen
einerFlugkolbenmaschine gemäß der Erfindung, während Fig. 3 ein Diagramm ist, das
zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung dient. In der Zeichnung ist beispielshdlber
angenommen, daß die Erfindung bei einem Treib'-gaserzeuger finit veränderlichem
Förderdruck angewendet wird, wobei die Verdichtungsarbeit in diesem Treibgaserzeuger
mindestens teilweise während :des Rückwärtshubes der Flugkolben geleistet wird.
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Der Treibgaserzeuger selbst ist in irgendeiner üblichen Weise ausgebildet.
Bei den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen umfaßt er einen Motorzylinder
i, in dem zwei Motorkolben 21, 22 in entgegengesetzter Richtung beweglich sind.
Diese Motorkolben geben in der Nähe ihrer äußeren Totpunktstellung Einlaßöffnungen
3 und Auslaßöffriungen q. frei.
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Mit jedem der Motorkolben ist je ein Verdichterkolben 51 bzw. 52 verbunden,
die in Zylindern 61 und 62 arbeiten. Diese Kolben verdichten mit der Innenseite
Luft, die durch die Ansaugventile 7 angesaugt und durch die Druckventile 8 in den
dichten Druckluftbehälter 9 hineingefördert wird, wobei dieser Druckluftbehälter
9 den Motorzylinder i umgibt. Die Kolbengruppen 21 und 51 bzw. 22 und 52 bilden
frei fliegende Kolbengruppen, die untereinander durch eine Synchronisierungsvorrichtung
verbunden sind. Diese Synchronisierungsvorrichtung besteht beispielsweise, wie dies
in Fig.2 dargestellt ist, aus einem Zahnrad io und Zahnstangen i i, die mit den
Flugkolbengruppen verbunden sind.
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Zur Versorgung des Motorzylinders i mit Brennstoff dient eine Einspritzpumpe
i2 o. dgl., .deren Antrieb durch die hinundhergehenden Kolbenaggregate erfolgt.
Das die pro Hub geförderte Brennstoffmenge steuernde Regelglied 13 der Brennstoffpumpe
ist zweckmäßigerweise mittels eines Gestänges 1q. an einen Regler angeschlossen,
der seinerseits von der durch die Treibgase angetriebenen Maschine, beispielsweise
einer Turbine, angetrieben wird. -Um während des auswärts gerichteten Hubes (Hinganges)
der Freiflugkolben Energie aufzuspeichern, die während des einwärts gerichteten
Hubes, auf dem die Verdichtung in den Verdichterzylindern stattfindet, an die Freiflugkolben
zurückgegeben wird, sind pneumatische Energiespeicher vorgesehen. Diese Energiespeicher
werden z. B. durch die Luftkissen gebildet, die zwischen der Außenseite der Verdichterkolben51,
52 und den äußeren Böden der Zylinder 61, 62 vorhanden sind. Die derart gebildeten
pneumatischen Energiespeicher sind in den Figuren und in der folgenden Beschreibung
mit A1 und A2 bezeichnet.
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Die in den Energiespeichern A' und A2 wirkende Energie ist; wie -
dies weiter unten näher erläutert wird, in Abhängigkeit von dem Förderdruck der
Maschine veränderlich.
Zu diesem Zweck wird periodisch eine Verbindung
zwischen den Energiespeichern und einer Druckluftquelle oder einem zur Aufnahme
von Luft aus den Energiespeichern geeigneten Raum hergestellt, je nachdem ob die
in den Energiespeichern vorhandene Luftmenge zu gering oder zu groß ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Druck- und Volumencharakteristiken
der Energiespeicher Al und 1A2 derart gewählt und werden ferner die Mittel zur Steuerung
der Energie der Energiespeicher derart aus-. gebildet, daß die. größten und kleinsten
Drücke, die in- den Energiespeichern bei jedem Arbeitsspiel auftreten, bei allen
normalen Betriebszuständen der Maschine vorzugsweise symmetrisch zu beiden Seiten
des Druckes der Druckluftquelle liegen; die in gewissen Fällen die Energiespeicher
mit Druckluft versorgt..
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Ein besonders interessanter Fall der vorliegenden Erfindung, der bei
den Ausführungsbeispielen vorausgesetzt ist, ist der, daß als Quelle für die Druckluft
und auch als-Raum zur Aufnahme eines Überschusses von Luft aus den Energiespeichern
ein Raum dient,* in dem ein charakteristischer- Druck der Maschine herrscht. Dieser
Raum kann beispielsweise der Behälter 9 sein, in dem -der Förderdruck Herrscht.
In diesem Fall wird zweckmäßigerweise .dafür gesorgt, daß die aus denk Diagramm
der Fig.3 ersichtlichen Verhältnisse erfüllt sind, d. h. bei jedem Wert des Förderdruckes
p schneidet die Kurve a-b, die bei jedem Hub den Druckverlauf in den Energiespeichern
Al und: A2. darstellt, den genannten Druck p, und zwar geschieht dies vorzugsweise
bei einer mittleren Stellung der Freiflugkolben. Wenn also beispielsweise der Förderdruck
den Wert p1 .hat, so schneidet die zugehörige Kurve al-bl die-dem Druck p1 entsprechende
Horizontale in der Nähe ihres Mittelpunktes (Punkt cl). Infolgedessen kann in der
Periode al-cl des Hubes Luft, die sich in dem- Behälter 9 befindet, in die Energiespeicher
A1 und A2 übertreten, falls der Arbeitsdruck der Maschine zunimmt. Andererseits
können sich die Energiespeicher Al und A2 während der Periodei cl-bl in den Behälter
9 hinein entladen, falls der Arlieitsdruck .der Maschine abnimmt.
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Die Regelung der in= den Energiespeichern Al und- A2 wirksam werdenden
Energie geschieht also ebenso gut bei einer Zunahme wie bei einer Abnahme des- Arbeitsdruckes
der Maschine. Außerdem tritt bei der Rege-Jung gemäß der Erfindung keinerlei Verlust
von Druckgas auf, da ja die von dieser Regelung betroffene Menge von Druckluft ledig
lieh entweder von dem Behälter 9 in die Energiespe-icher Al und- A2 oder unigekehrt
von den Energiespeichern in den Behälter 9 überführt wird, je nachdem ob es 'sich
um eine Zunahme oder eine Abnahme des Arbeitsdruckes der Maschine handelt. .
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Zur Durchführung der genannten Regelung kann man beispielsweise gemäß
der im nachstehenden näher behandelten Ausführungsform zwischen den pneumatischen
Energiespeichern A1 und f12 und dem Behälter 9, in dem der Förderdruck der Maschine
herrscht, eine Steuervorrichtung vorsehen die derart arbeitet, daß sie die Energiespeicher
von dem Behälter 9 getrennt hält, solange ein einmal hergestellter Betriebsgleichgewichtszusta-nd
aufrechterhalten bleibt. Wenn jedoch eine Änderung des Arbeitsdruckes- auftritt,
so sorgt die Steuervorrichtung da-für, daß, je nachdem ob der Arbeitsdruck zu- oder
abnimmt, Druckluft entweder von dem Behälter 9 in die Energiespeicher A1 und A2
oder umgekehrt von den genannten Energiespeichern in den Behälter 9 übergeht. Ferner
sind Korrekturmittel vorgesehen, die dafür sorgen, daß die genannte Steuervorrichtung
in ihre neutrale Stellung zurückkehrt, sobald sich der Arbeitsdruck nach einer einmal
eingetretenen Veränderung auf einen neuen Wert stabilisiert hat. Hierdurch wird
die Möglichkeit geschaffen, daß ein neuer Regelvorgang auf, normale Weise durchgeführt
werden kann, enn euch dieser neue Arbeitsdruck seinerseits wiederum eine Abänderung
erfährt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung arbeitet die genannte
Steuervorrichtung zweckmäßigeres eise ihrerseits in -Abhängigkeit von dem Druck,
der bei einer bestimmten Stellung der Flugkolben in den Energiespeichern A1 und
A2 herrscht. Dies kommt also. darauf hinaus, daß man die in den Speichern wirksame
Energie durch den Druck kontrolliert, der bei einer bestimmten Stellung def Flugkolben
in. den Speichern herrscht.
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Um die genannte Steuervorrichtung "der Energiespeicher A1 und A2 zu
verwirklichen, bestehen zahlreiche Möglichkeiten. Besonders zweckmäßig erscheint
es jedoch, eine der Ausführungsformen anzuwenden, die in den Fig. r und 2 der anliegenden
Zeichnungen dargestellt sind." Gemäß der in Fig. z dargestellten Ausführungsform
besteht die Steuervorrichtung aus einer Art Schieber r5, der in dem Druckluftbehälter
9 angeordnet ist und in seinem Inneren zwei Abteilungen 151 und r52 aufweist, zu
denen Durchbrechungen 161 bzw. 161 in, .der Wandung des Schiebers 15 gehören. Je
nachdem ob -die eine oder` die andere dieser Durchbrechungen gegenüber einer Öffnung
17 liegt, gelangt das eine oder das andere der Abteile 151 oder z52 mit dem Inneren:
der Leitun,
-en 181 und 181 in Verbindung, die zu den Speichern
A' und A2 führen. Bei der neutralen Stellung des Schiebers 15, die in Fig. i veranschaulicht
ist, ist die Öffnung 17 verschlossen.
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Ferner sind in den. Wänden der Abteilungen 151 und 152 Ventile 1g1
und 1g' vorgesehen. Die Ventile 1g1 lassen lediglich die Luft von dem Inneren der
Abteilung 151 in das Innere des Behälters 9 übertreten, während die Ventile 192
lediglich umgekehrt den Übergang von Luft aus dem Behälter 9 nach der Abteilung
152 zulassen.
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Der Schieber 15 ist an einen Kolben -i angeschlossen,, der in einem
Zylinder 2o beweglich ist. Die eine der Oberflächen des Kolbens steht"unter dem
Förderdruck des Treibgaserzeugers, und zwar wird dieser Förderdruck der Unterseite
des Kolbens 21 durch eine Leitung 2:2 zugeführt. Die -andere Seite des Kolbens 2
i steht unter der Wirkung einer Gegenfeder 23. Das Ganze ist derart ausgebildet,
daß bei einer Zunahme des Förderdruckes der Schieber derart verstellt wird, daß
die Öffnung 162 gegenüber der Öffnung 17 zu liegen kommt, während umgekehrt eine
Verringerung des Förderdruckes die Öffnung 161 gegenüber. der Öffnung fy
in Stellung bringt.
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Die -Korrekturmittel zur Sicherung der Rückkehr des - Schiebers 15
in seine neutrale Stellung nach jeder Änderung des Arbeitsdruckes wirken in Abhängigkeit
von dem Druck, der in den pneumatischen Energiespeichern bei einer bestimmten Stellung
der Freiflugkolben herrscht, auf die Spannung der Feder 23 ein, die die Rückkehrbewegungdes
Steuerschiebers durchführt. Zu dem Zweck ist beispielsweise in die Kolbenstange
eines der Kolbenaggregate eine Nut 24 hineingearbeitet, welche bei einer ganz bestimmten
Stellung der Kolbenaggregate den auf der Seite dieser Kolbenstange gelegenen pheumatischen
Energiespeicher, das ist also bei dem Ausführungsbeispiel der Energiespeicher Al,
mit einem Zylinder 25 verbindet, in welchem ein Kolben 26 beweglich ist, der unter
der Wirkung einer Rückkehrfeder 27 steht und an einen Nocken 28 angeschlossen ist.
Dieser Nocken wirkt auf einen Stößel 29 ein, gegen den sich die Feder 23 abstützt.
Das Ganze ist derart ausgebildet, daß bei einer Erhöhung des Druckes in dem EnergiespeicherAl
ein Härterwerden der Feder 23 auftritt.
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Die Wirkungsweise des beschriebenen Treibgaserzeugers ist die folgende:
Es sei angenommen, daß der Förderdruck von einem Wert p1, bei dem sich der Steuerschieber
15 in seiner neutralen Stellung befindet, auf einen höheren Wert p2 übergeht. Dann
wird der Kolbenei entgegen der Wirkung der Feder 23 verstellt, und die Öffnung 162
gelangt mit der Öffnung 17 in Verbindurig. Die in dem Behälter 9 befindliche Druckluft
kann dann während desjenigen Teils des Hubes, bei dem der Förderdruck höher ist
als der Förderdruck in den Energiespeichern A1 und A2, durch die Ventile 192 hindurchtreten
und durch die Leitungen 18' und 182
zu den Energiespeichern A1 und
AZ gelangen, um deren Luftmasse zu vergrößern. Wenn dagegen statt einer Erhöhung
des Förderdruckes eine Verringerung dieses Druckes eingetreten wäre, so hätte sich
der Steuerschieber 15 im umgekehrten Sinne verschoben, und die Öffnung 161 wäre
mit der Öffnung 17 in Verbindung getreten. Die Folge davon wäre gewesen, daß ein
Teil der in den Energiespeichern befindlichen Luft in den Behälter 9 durch die Ventile
i91 während desjenigen Teils des Kolbenhubes hätte zurückkehren können, bei dem
der Druck in 'den Energiespeichern .größer ist als der Drück in dem Behälter 9.
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Nachdem dann der zu dem neuen Förderdruck gehörende neue Druckzustand
in den Energiespeichern hergestellt worden ist (siehe Kurve a2 -b- in Fig. 3), ruft
der Kolben 26 durch Einwirkung auf den Nocken 28 die Rückkehr des Steuerschiebers
15 in seine neutrale Stellung hervor. Das Ganze ist dann für einen neuen Regelungsvorgang
betriebsbereit, wobei sieh dieser neue Regelungsvorgang unter den gleichen Bedingungen
ab--spielt wie vorher, da ja der Steuerschieber in seine neutrale Stellung zurückgeführt
ist, und die äußersten Drücke a2 und b2 in den Energiespeichern zu beiden -Seiten
des neuen Förderdruckes p2 liegen.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der oErfindung
besteht die Steuervorrichtung aus einem festen Gehäuse i 15, in dem zwei Abteilungen
i 151 und i 152 vorgesehen sind. -Diese Abteilungen stehen durch Ventile i 191 und
1192, die ähnlich den Ventilen i91 und 192 -arbeiten, einerseits mit dem Behälter
9 der von dem Verdichter des Treibgaserzeugers geförderten Druckluft und andererseits
mit den Energiespeichern Al und A2 in Verbindung, und zwar ist je nach der Stellung
eines Schiebers 3o, der eine Durchbrechung 117 aufweist, die eine oder die andere
Abteilung an die Energiespeicher angeschlossen. Dies geschieht dadurch, daß die
Öffnung 117 entweder gegenüber einer Durchbrechung 1161, die zu der Abteilung 115'
gehört,. oder gegenüber einer Durchbrechung 1162, die zu der Abteilung i 152 gehört,
zu liegen kommt. Der Schieber 3o ist mit einem Kolben 21 verbunden, der in der gleichen
Weise, wie dies oben beschrieben ist, unter derWirkung des Steuerdruckes in einem
der Energiespeicher steht.
Zur Regelung der Spannung der Rückführfeder
23 des. Kolbens .2i dient auch bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ein Nocken 28,
der durch einen Kolben. 26 verstellt wird. Auf diesen Kolben wirkt der Druck ein,
der an einer bestimmten Stelle des Hubes der Freiflugkolben in. dem Energiespeicher
Aiherrscht. Dieser Druck - kann beispielsweise mittels eines Ventils 3 r entnommen
werden, das an einer bestimmten Stelle deS Hubes, der Freiflugkolben durch einen
Schwinghebel 32, geöffnet wird, welch letzterer an einen der Sätze der Freiflugkolben
artgelenkt ist.
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' Die Wirkungsweise der in-Fig. 2 beschrie benen Einrichtung entspricht
völlig der Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. r, so daß ein besonderes Eingehen
auf die Wirkungsweise des Gegenstandes der Fig: z überflüssig sein dürfte.
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In manchen Fällen, insbesondere wenn die von,dem Treibgaserzeuger
mit Treibgas versorgte Maschine unter Betriebsbedingungen arbeitet, bei denen plötzliche
Leistungsänderungeri eintreten, ist -es---zweckmäßig, die Energie derpneumatischenEnergiespeicherAi
-und A2 auch noch durch den Regler der von den Treibgasen angetriebenen Maschine
kontrollieren zu lassen. Zu dem Zweck wirkt beispielsweise das Gestänge i4,_ welches
an den Regler der durch die Treibgase angetriebenen Maschine angeschlossen .ist,
auf die Steuereinrichtung ein, .mit deren Hilfe Druckluft den Energiespeichern zugeführt
oder aus den Energiespeichern ausgelassen wird.
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Wenn es sich speziell um eine Ausführungsform des Treibgaserzeugers
handelt, wie sie in Fig: 2 dargestellt ist, so #;1zönnen das Gestänge 14 und der
Schieber 3o mittels eines elastischen Anschlages 33 aufeinander wirken derart, daß
eine plötzliche Zunahme der Belastung die Versorgung der Energiespeicher mit Druckluft
hervorruft. Ferner empfiehlt es sich, .um die Raschheit, mit der die Zufuhr von
Druckluft zu den Energiespeichern oder die Entleerung von Druckluft ausden Energiespeichern
vor sich- geht, noch zu erhöhen, die Speiseleitung der Energie.speicher mit zwei
Öffnungen 34 und 35 zu versehen, von denen die eine zwecks Auslassens von Druckluft
in- die frei Luft mündet, während die andere in eine Leitung 36 mündet, die an eine
zusätzliche Druckluftquelle angeschlossen ,ist und zur Speisung der Energiespeicher
mit Druckluft -dient. Die Öffnungen 34 und 35 werden durch Ventile 37 und 38 gesteuert,
die unter der Wirkung eines Schwinghebels 39 stehen, der seinerseits an den Schieber
3o angeschlossen- ist. Wenn die Ausschläge dieses Schiebers aus seiner neutralen-Stellung
heraus in dem einen oder anderen Sinne eine gewisse Größe überschreiten,. öffnet
der Schwinghebel 39 entweder das Ventil 37 oder das Ventil 38.
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Auf diese Weise- wird erreicht,- daß bei starken Änderungen der Belastung
die Regelung der Energie der pneumatischen Energiespeicher sehr rasch vor sich gehen
kann. Denn einerseits wird der Schieber 30 durch das Gestänge 14 sofort in
eine zweckentsprechende Stellung gebracht und andererseits bewirkt die Öffnung des
einen oder anderen der Ventile 37 oder 38 eine schnellere Entleerung oder Speisung
der Energiespeicher, als wenn ein solcherLuftaustausch ausschließlich durch die
mit den Ventilen versehene Vorrichtung i i5 geschähe.
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Wie auch immer die je-,veiligeAusführungsform der Erfindung sei, man
erhält einen Treibgaserzeuger, -- bei dem die Regelung der Energie der Energiespeicher
selbsttätig in Abhängigkeit von dem Arbeitsdruck vor sich geht, wobei jeder Drucklüftverlust,
der in den Energiespeichern auftritt, selbsttätig durch die Wirkung der beschriebenen
Korrekturmittel ausgeglichen wird; die in Abhängigkeit von dem Drück arbeiten, der-
in den Energiespeichern- an einer bestimmten Stelle des-Hubes der Freiflugkolben
herrscht.
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Schließlich sei nochmals darauf hingewiesen, daß im vorstehenden nur
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben sind, auf welche diese weder hinsichtlich
ihrer Ausführungsformen noch hinsichtlich ihrer Anwendungsarten beschränkt ist.